Полупроводниковые приборы: Учебное пособие. - 8-е изд., испр. (Серия:'Учебники для вузов. Специальная литература')

В книге рассмотрены физические процессы в полупроводниковых приборах и элементах интегральных микросхем, их основные свойства, характеристики и параметры, конструктивно- технологические особенности полупроводниковых приборов в интегральном исполнении и общие принципы микроэлектроники. Книга предназначена для студентов, обучающихся по образовательным программам подготовки бакалавров, магистров и дипломированных специалистов по направлению "Электроника и микроэлектроника". Предисловие Инженер электронной техники должен быть специалистом по проектированию, конструированию, технологии и применению приборов и устройств, основанных на различных физических процессах в твердом теле. Без знания принципа действия и свойств конкретного полупроводникового прибора невозможно правильно выполнить расчет, разработать технологию изготовления и организовать производство, исследовать свойства и измерить параметры этого прибора, а также рационально использовать этот прибор в той или иной схеме, в той или иной установке при различных заданных условиях эксплуатации. Соответственно без прочного усвоения физики полупроводниковых приборов и элементов интегральных микросхем невозможно понять и усвоить даже основные положения практически всех специальных дисциплин, которые студенты будут изучать в дальнейшем в соответствии с учебными планами. Книга в основном предназначена для студентов, изучающих такие дисциплины государственного стандарта, как "Твердотельная электроника", "Микроэлектроника", "Физика полупроводниковых приборов и основы микроэлектроники", "Физические основы микроэлектроники" и аналогичные предметы. Но она может быть использована в качестве учебного пособия студентами других различных специальностей. Поэтому в гл. 1 книги изложены основные сведения по физике полупроводников в минимальном объеме, необходимом для понимания принципа действия и свойств полупроводниковых приборов и элементов интегральных микросхем. Перед изучением полупроводниковых приборов следует ознакомиться с обозначениями физических величин, принятыми в книге. Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на использовании разнообразных свойств выпрямляющих электрических переходов. Поэтому для глубокого понимания свойств, характеристик и параметров различных полупроводниковых приборов необходимо усвоить материал гл. 2, посвященный физическим явлениям на границе двух материалов, отличающихся по типу электропроводности, по удельной проводимости или по химическому составу. В гл. 3 рассмотрены полупроводниковые диоды, структура которых проще структур большинства других приборов. Поэтому материал этой главы совершенно необходим для понимания других полупроводниковых приборов. Книга составлена на основе многолетнего опыта чтения лекций по полупроводниковым приборам на различных факультетах Ленинградского электротехнического института, в настоящее время - Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ". Трудно переоценить вклад преподавателей кафедры диэлектриков и полупроводников (по-современному - кафедры микроэлектроники), т. е. кафедры, на которой формировались все основные научные положения данной книги. Необходимо особенно отметить замечания и рекомендации доцентов кафедры И. И. Зятькова, В. А. Миронова и профессора В. С. Сорокина, что позволило внести в последние издания книги ряд дополнений. Большую помощь в улучшении книги оказали своими замечаниями рецензенты первых четырех изданий учебника. В обсуждении различных вопросов физики полупроводниковых приборов и методики изложения этих вопросов активное участие принимали многочисленные преподаватели многих вузов бывшего СССР, которые повышали свою квалификацию при кафедре диэлектриков и полупроводников ЛЭТИ в те годы, когда у нас в институте активно работал факультет повышения квалификации преподавателей. Активное участие в работе над первыми изданиями учебника "Полупроводниковые приборы" принимал А. Д. Шинков, но, к сожалению, от этой работы в дальнейшем он отстранился. Инициатива создания учебника для вузов "Полупроводниковые приборы" и организация работы над ним целиком и полностью принадлежала Владимиру Васильевичу Пасынкову, чьей памяти посвящается это издание. Л. К. Чиркин Введение В наступившем двадцать первом веке значение электроники существенно возрастает. Научно-технический прогресс немыслим без электроники. Интенсивное развитие электроники связано с появлением новых разнообразных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, которые находят широкое применение в вычислительной технике, космонавтике, автоматике, радиотехнике и телевидении, в установках измерительной техники, медицине, биологии и т. д. Полупроводниковые приборы в виде точечных диодов, или, как их раньше называли, кристаллических детекторов, применяли еще в первых электронных установках. Выпрямительные свойства контактов между металлами и некоторыми сернистыми соединениями были обнаружены в 1874 г. В 1895 г. А. С. Поповым при изобретении радио был применен порошковый когерер, в котором использовались нелинейные свойства зернистых систем. В 1922 г. О. В. Лосев использовал отрицательное дифференциальное сопротивление, возникающее при определенных условиях на точечных контактах металла с полупроводником, для генерации высокочастотных электрических колебаний. Кроме того, им было обнаружено свечение кристаллов карбида кремния при прохождении тока через точечные контакты. Но в этот период успешно развивается техника электровакуумных приборов, и из-за недостаточного знания строения полупроводников и происходивших в них электрофизических процессов полупроводниковые приборы не получили тогда существенного развития и применения. В годы Великой Отечественной войны были разработаны точечные диоды. В 1942 г. в СССР был организован выпуск полупроводниковых термоэлектрических генераторов для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую. Термогенераторы использовались для питания переносных радиостанций партизанских отрядов. Создание и производство этих и многих других приборов стало возможным благодаря фундаментальным теоретическим и экспериментальным исследованиям свойств полупроводников, проведенным группой ученых под руководством академика А. Ф. Иоффе. С 1948 г., т. е. со времени создания американскими учеными Дж. Бардиным, В. Браттейном и В. Шокли точечного транзистора, начался новый этап развития полупроводниковой электроники. В 50 x годах были разработаны различные типы биполярных транзисторов, тиристоров, мощных выпрямительных диодов, фотодиодов, фототранзисторов, кремниевых фотоэлементов - солнечных батарей, туннельных диодов и других полупроводниковых приборов. Принцип действия полевых транзисторов с изолированным затвором был предложен еще в 1926 г., но до окончательной разработки этих транзисторов потребовалось почти 30 лет исследований электрофизических процессов на границе полупроводника с диэлектриком и технологии получения необходимых структур. В 1958-1959 годах появились интегральные микросхемы на кремнии, что означало появление нового направления полупроводниковой электроники - микроэлектроники. При этом удалось существенно уменьшить стоимость и повысить надежность устройств электронной техники, значительно уменьшить их массу и габариты путем формирования всех пассивных и активных элементов интегральных микросхем в едином технологическом процессе, а также в результате конструктивной интеграции. В 80-е годы прошлого столетия стремление к уменьшению размеров активных элементов электроники привело к зарождению еще одного направления - наноэлектроники. (Лучше, вероятно, было бы использовать более правильный и логичный термин - наноразмерная электроника). Уменьшение размеров активных элементов до нанометров вызвало появление новых физических явлений и, соответственно, возможностей использования этих явлений в новых приборах. Следует отметить, что наряду с интенсивным развитием полупроводниковой электроники, вакуумная электроника не собирается целиком сдавать свои позиции. Под девизом "Обратно в будущее" в США в 1988 г. прошла 1-я международная конференция по вакуумной микроэлектронике. Эту дату можно считать датой рождения вакуумной микроэлектроники. Использование в вакуумной микроэлектронике автоэлектронной эмиссии обеспечивает мгновенную готовность к работе, радиационную и термическую стойкость, что очень важно для космической и военной техники, для устройств контроля ядерных реакторов, реактивных двигателей и т. п. Развитие полупроводниковой электроники идет весьма интенсивно и в нашей стране, о чем свидетельствует присуждение в 2000 г. Нобелевской премии академику Ж. И. Алферову за исследование гетеропереходов, разработку технологии их формирования и за организацию производства полупроводниковых приборов на основе гетеропереходов. --------------------------------------------------------------------------------------